交流電源串入直流電源回路導(dǎo)致斷路器跳合閘原因分析

趙永生,莊洪波

(湖南省電力公司試驗(yàn)研究院,湖南長沙 410007)

電廠或變電站的電氣繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置和斷路器控制回路都是采用直流電源供電,直流回路分布廣、數(shù)量多。在電廠或變電站,常常出現(xiàn)運(yùn)行與基建施工、設(shè)備改造同時(shí)并存,由于工作不慎,極易造成交流電源串入直流回路。由于直流回路存在分布電容,可能出現(xiàn)交流電源經(jīng)分布電容起動(dòng)相應(yīng)繼電器,導(dǎo)致多臺(tái)斷路器同時(shí)跳閘或合閘,造成極其嚴(yán)重的事故。

1 湘潭電廠 500 kV升壓站斷路器全部跳閘事故

1.1 事故經(jīng)過

2006-03-16T09∶43,湘潭電廠 500 kV 5011,5012,5022斷路器同時(shí)跳閘,500 kV開關(guān)站全站失壓,3號(hào)主變及 3號(hào)機(jī)組廠用電、4號(hào)主變失電。當(dāng)時(shí) 3號(hào)機(jī)未開機(jī),4號(hào)機(jī)未投產(chǎn),湘云Ⅰ線5012、湘云Ⅱ線 5022負(fù)荷很小,2條線路帶 3號(hào)機(jī)組部分廠用負(fù)荷運(yùn)行。

事故發(fā)生后,所有保護(hù)均無動(dòng)作信號(hào),斷路器保護(hù)記錄中有多次 “斷路器保護(hù)啟動(dòng),斷路器保護(hù)復(fù)歸”記錄,斷路器操作箱第 1組跳閘紅色信號(hào)燈和第 2組跳閘紅色信號(hào)燈均亮。從錄波圖看,當(dāng)時(shí)電流、電壓無任何異常,亦無保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)錄波的開關(guān)量記錄。

據(jù)運(yùn)行人員反映,當(dāng)時(shí)曾聽到 3個(gè)斷路器操作箱內(nèi)繼電器高頻率異常響動(dòng)。

1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)檢查

3個(gè)斷路器同時(shí)跳閘,對(duì) 3/2主接線來說,沒有哪個(gè)保護(hù)可以做到,實(shí)際上也沒有保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。

對(duì)回路進(jìn)行了全部清理檢查,發(fā)現(xiàn)有 1個(gè)端子接線錯(cuò)誤,即 5022斷路器保護(hù)柜的 101b(Ⅱ路電源 +)本應(yīng)接到 4D8端子,但實(shí)際接到了備用端子 BD8,然后通過短接線引至 4D8;而南自廠家根據(jù)設(shè)計(jì)院的修改圖,也將送至3號(hào)發(fā)變組的 “5022斷路器保護(hù)動(dòng)作聯(lián)跳”回路在 BD8端子上中轉(zhuǎn)了一下。這樣,導(dǎo)致主廠房內(nèi)發(fā)變組保護(hù)的直流 +與網(wǎng)控直流 +并列運(yùn)行。

升壓站設(shè)備都在運(yùn)行狀態(tài),沒有人施工;但主場房有大量的施工作業(yè),極有可能將交流電源串入直流電源回路中。

將交流電源火線經(jīng)調(diào)壓器接入直流 +極,零線接地。調(diào)節(jié)調(diào)壓器,當(dāng)交流量達(dá)到 120 V左右時(shí),斷路器突然跳閘,操作箱跳閘紅燈亮,同時(shí)操作箱中不斷有高頻率異響,現(xiàn)象同故障時(shí)運(yùn)行人員觀察到的一樣。

2 長沙電廠啟備變開關(guān) 650跳閘、1號(hào)機(jī)開關(guān) 610合閘事故

2.1 事故經(jīng)過

2009-06-04T01∶51,長沙電廠啟備變斷路器650跳開,1號(hào)機(jī)斷路器 610合上,沒有保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。

故障前一次設(shè)備運(yùn)行方式:1號(hào)機(jī)斷路器 610分;華威Ⅰ線斷路器 602,華威Ⅱ線斷路器 604,母聯(lián)斷路器 600,啟備變 650斷路器合。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)檢查

經(jīng)核實(shí),1號(hào)機(jī)斷路器 610和啟備變 650斷路器的保護(hù)控制回路直流電源使用集控室直流電源系統(tǒng);華威Ⅰ線斷路器 602,華威Ⅱ線斷路器 604的保護(hù)控制回路直流電源使用 220 kV升壓站直流電源系統(tǒng)。

經(jīng)落實(shí),事故發(fā)生時(shí)正好在空預(yù)器有工作,其工作內(nèi)容為:把空預(yù)器的控制回路由原來 220V交流電源改接為直流電源。

初步判斷為空預(yù)器改造作業(yè)時(shí)將交流串入直流,引起了該次事故。

因 650斷路器已經(jīng)合上運(yùn)行,僅針對(duì) 610斷路器進(jìn)行以下模擬試驗(yàn) (610,650斷路器操作箱型號(hào)相同,都由 GE公司提供):

(1)為安全起見,單獨(dú)用 1組蓄電池對(duì) 610斷路器操作箱供電進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)交流電源零線接地,火線經(jīng)調(diào)壓器輸出,搭接 610斷路器操作箱直流電源的負(fù)極,調(diào)節(jié)調(diào)壓器,加交流電壓為 80～100 V左右時(shí),610斷路器操作箱繼電器及電壓切換箱繼電器開始抖動(dòng)。

(3)為安全起見,不通過調(diào)壓器,直接用交流電源的火線直接瞬時(shí)點(diǎn)到 610斷路器操作箱直流電源的負(fù)極,610斷路器由分開直接合上。再次重復(fù)試驗(yàn),610斷路器跳閘。

3 斷路器同時(shí)跳閘或合閘原因分析

以交流電源串入直流電源負(fù)極回路,引起斷路器跳閘為例,定性分析斷路器跳閘原因。

直流回路對(duì)地有分布電容,當(dāng)交流電源的火線搭接到直流的負(fù)極時(shí),通過接地點(diǎn),與電容、手合繼電器 STJ形成回路。因繼電器采用 +24 V固體繼電器,動(dòng)作速度快 (一般約 2～5 ms)、動(dòng)作功率小 (繼電器動(dòng)作功率≤0.2 W,回路串電阻后≤2 W),在對(duì)電容的充放電過程中可能使 STJ動(dòng)作,在斷路器處于合閘位置時(shí) (其輔助接點(diǎn) DL閉合),將造成斷路器跳閘。如圖 1所示。

圖 1 交流電源串入直流電源負(fù)極回路示例

同樣,當(dāng)斷路器處于跳閘位置時(shí),由于手合繼電器 SHJ可能動(dòng)作,將造成斷路器合閘。

4 建 議

交流電源串入直流電源負(fù)極回路,將引起小型固態(tài)繼電器抖動(dòng),造成嚴(yán)重后果,如斷路器跳閘、合閘、保護(hù)裝置失壓 (電壓切換繼電器抖動(dòng))等。必須采取措施杜絕這種嚴(yán)重事故的發(fā)生。

(1)對(duì)經(jīng)屏外電纜起動(dòng)的出口或有重要影響的繼電器應(yīng)采用強(qiáng)電啟動(dòng)、大功率 (動(dòng)作功率≥5 W)、慢速 (動(dòng)作時(shí)間≥10 ms)的繼電器。

《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》第14.7.5條要求:“對(duì)經(jīng)長電纜跳閘的回路,應(yīng)采取措施防止長電纜分布電容影響和防止出口繼電器誤動(dòng)的措施”。國家電網(wǎng)公司新企標(biāo) 《線路保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.2條要求:“對(duì)于可能導(dǎo)致多個(gè)斷路器同時(shí)跳閘的直跳開入,應(yīng)采取措施防止直跳開入的保護(hù)誤動(dòng)。例如:在開入回路中裝設(shè)大功率重動(dòng)繼電器,或采取軟件防誤措施 ?！薄?/p>

從以上措施來看,本意都是為防止交流電源經(jīng)分布電容串入直流回路,使繼電器或光耦開入(其動(dòng)作功率更小、動(dòng)作速度更快)誤動(dòng)而采取的措施。對(duì)于變壓器非電量保護(hù),《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》第 14.2.5條明確要求:“非電量保護(hù)開關(guān)場部分的中間繼電器,必須由強(qiáng)電直流起動(dòng)且應(yīng)采用起動(dòng)功率較大的中間繼電器,其動(dòng)作速度不宜小于 10 ms”,這在實(shí)際裝置上已得到了落實(shí)和運(yùn)用。

但操作箱及電壓切換箱中許多繼電器或一些光耦開入,如手合繼電器 SHJ,手跳繼電器 STJ,三跳繼電器 TJR,電壓切換繼電器 YQJ,外部聯(lián)跳開入,斷路器非全相接點(diǎn)開入等,其啟動(dòng)回路來自本屏外 (甚至來自開關(guān)場),存在一定的分布電容。如果采用的繼電器或光耦動(dòng)作功率小、動(dòng)作速度快,就易受交流電源干擾而動(dòng)作。因此也應(yīng)采用大功率 (動(dòng)作功率 ≥5W)、 慢速 (動(dòng)作時(shí)間 ≥10 ms)的繼電器,從能量和延時(shí) 2個(gè)方面使繼電器躲開交流電源的干擾。

(2)直流系統(tǒng)應(yīng)分段運(yùn)行。為盡量避免交流電源串入直流電源回路導(dǎo)致裝置不正?；虬l(fā)生嚴(yán)重事故,應(yīng)將負(fù)荷合理地分配到不同的直流蓄電池組。發(fā)電廠集控與網(wǎng)控直流系統(tǒng)要獨(dú)立,有 2組直流系統(tǒng)的應(yīng)分段運(yùn)行。

(3)在已有設(shè)備運(yùn)行的發(fā)電廠或變電站進(jìn)行安裝和檢修工作,應(yīng)采取有效的安全措施,嚴(yán)禁交流電源串入直流電源回路。

(4)將直流電源電壓 (正極—地和負(fù)極—地)送入錄波裝置,在有交流分量時(shí)起動(dòng)錄波,并發(fā)出告警,以便及早發(fā)現(xiàn)交流電源串入直流電源回路故障,及時(shí)進(jìn)行處理,也便于事故后的分析處理。